Süper kapasitör

Supercapacitors ve ilgili türlerin hiyerarşik sınıflandırması

Bir süper kapasitör (SC), bazen ultracapacitor, (eskiden elektrikli çift katmanlı kapasitör (EDLC)) olarak bilinir ve yüksek kapasiteli bir elektrokimyakapasitorü ile kapasitans değerleri 10.000’de = 1.2 volt köprü boşluğu arasında elektrolitik kapasitörler ve piller ile şarj edilebilir. Onlar genellikle birim hacim başına 10 ila 100 kat daha fazla enerji veya elektrolitik kapasitörler daha kütle mağaza, kabul ve şarj çok daha hızlı pil vermekle kalmaz ve çok daha fazla şarj ve şarj edilebilir pillere göre daha fazla yükleme ve boşaltma yapabilir. Ancak belirli şartlar altında geleneksel pillere göre 10 kat daha büyüktür.

Süper kapasitörler çok hızlı şarj/deşarj yerine uzun vadeli kompakt enerji depolama gerektiren uygulamalarda kullanılmıştır: içinde otomobil, otobüs, tren, vinç ve asansörler, kullanılan enerji kurtarma frenlemesi, kısa vadeli enerji depolama veya patlama modu gibi. Küçük birimlere rastgele erişimde statik (SRAM) belleğe yedek olarak kullanılır.

Süper kapasitörler geleneksel katı bir yalıtkana sahip değildir. Elektrostatik çift tabaka kapasitans orelokimyasal sahte kapasite ya da her ikisinin kombinasyonu yerine kullanıyorlar:

• Elektrokimyasal pseudocapacitors elektrokimyasal pseudocapacitance yüksek miktarda metal oksit ya da iletken polimer elektrotlar kullanır. Pseudocapacitance Faradik elektron elde transfer ücreti redox reaksiyonları, özgün veya electrosorption.
• Melez kapasitörler, farklı özellikleri ile lityum-iyon kondansatör kullanın elektrotlar gibi: çoğunlukla elektrostatik kapasitans ve diğer çoğunlukla elektrokimyasal kapasitans sergiliyor.

Elektrolit elektrolit ikinci elektrot (katot) bulunduğu elektrolitik kapasitörler onları ayıran iki elektrot arasında iletken bir bağlantı oluşturur. Süper kapasitörler üretim sırasında olası bir tarafından uygulanan asimetrik elektrotlar ile ya da simetrik elektrotlar için polarize edilmiş olarak tasarlanmıştır.

Tarih

Çift Katmanlı ve pseudocapacitance modellerinin Gelişimi (Çift Katman (arayüzey)).

Bileşenlerinin evrimi

1950'lerde, General Electric mühendisleri bileşenleri yakıt hücreleri ve şarj edilebilir piller için gözenekli karbon elektrotlar kullanarak denemeler yapmaya başladı. Aktif kömür ile bir elektrik iletken son derece gözenekli bir "süngerimsi" yüksek spesifik yüzey alanına sahip karbon şeklindedir. 1957 H. Becker, gelişmiş bir "gerilim elektrolitik gözenekli karbon elektrotlar ile kondansatör". Düşük [1][2][3] Enerji, karbon şarj gözenekleri elektrolitik kapasitörler kazınmış folyo gibi gözenekler gibi saklı olduğuna inanıyordu. Çünkü çift katmanlı mekanizma tanışıldığında bulunmuyordu, patentte şöyle yazmakta: "Tam olarak yüksek kapasitenin neden gerçekleştiği bilinmese de bileşende enerji depolama kullanılmıştır." General Electric önceleri bu işin takipçisi olmadı. 1966 yılında Ohio Standard Oil (SOHİO) araştırmacıları bu bileşenin başka bir versiyonu geliştirilen "elektrikli enerji depolama aygıtı", deneysel çalışma sırasında yakıt hücresi tasarımları. [4] elektrokimyasal enerji depolama[5] doğal bir patent olarak nitelendirildi. 1970, elektrokimyasal kapasitör Donald L. Boos patentli bile aktif karbon elektrotlar, bir elektrolitik kondansatör olarak tescil edildi.[6]

Erken elektrokimyasal kapasitörler iki alüminyum folyo aktif karbon ile kaplı - bir elektrolit içine batırılmış ve ince gözenekli bir yalıtkan ile ayrılmış olan elektrotlar kullanılır. Bu tasarım bir farad sipariş üzerine bir kapasitans, aynı boyutta elektrolitik kapasitörler önemli ölçüde daha yüksek bir kondansatör vermiştir. Bu elektrokimyasal kapasitörlerin en temel mekanik tasarımı olarak kalmaktadır. SOHIO bu buluşunu ticari olarak kullanmamış, bunun yerine NEC’e ticari lisans vererek, bilgisayarların hafızasına yedek güç sağlamak için –Süper Kapasitör-leri 1971’de pazarlamaya başlamıştır.

Ph. D., Imperial College London John Bockris Grup, Brian Evans Conway 1947 1975 ve 1980 yılları arasında Brian Evans Conway rutenyum-oksit elektro kimsayalar kapasitörler hakkında kapsamlı bir temel ve geliştirme çalışmaları yaptı. 1991 yılında ‘Super kapasitör’ ve ‘Pili’ elektrokimyasal enerji depolama davranışları arasındaki farkı açıkladı. 1999 yılında süper kapasitör elektrotlar ve iyon arasında faradik yük transfer ile yüzey redoks tepkimeleri artan kapasitansı açıklamak için icat edildi.[7][8] Onun "süper kapasitör" depolanan elektrik yüklü kısmı Helmholtz çift katlı ve kısmen sonuç faradik reaksiyonlar ile elektrot ve elektrolit arasındaki"pseudocapacitance" elektron ve proton yükü transferini açıklar. Pseudocapacitors çalışma mekanizmaları redox reaksiyonları, özgün ve electrosorption. Yaptığı araştırma ile Conway, büyük ölçüde elektrokimyasal kapasitörler bilgisini genişletmiştir. Piyasa yavaşça büyüdü. 1978’de Panasonic, Goldcaps markası olarak değişmişti. [9] Bu ürün hafıza için başarılı bir enerji kaynağı yedekleme uygulamaları oldu. [5] Rekabet sadece bir yıl sonra başladı. 1987 yılında ELNA"pazar s girdiniz. "Dynacap[10] İlk nesil EDLC akım deşarj sınırlı, nispeten yüksek iç direnç vardı. Veri yedekleme için güç SRAM chips gibi düşük akım uygulamaları için kullanıldı.

1980'lerde, gelişmiş elektrot malzemeleri artan kapasitans değerleri sonunda. Aynı zamanda, daha iyi iletkenlik ile elektrolit gelişimine direnç (ESR) artan şarj/deşarj akımları eşdeğer serisi indirdi. Düşük iç dirençli ilk süper kapasitör Pinnacle Araştırma Enstitüsü tarafından askeri uygulamalar için (PRİ) 1982 yılında geliştirilen ve marka adı altında piyasaya sürüldü"". PRİ Ultracapacitor 1992 yılında, Maxwell Laboratuvarları (daha sonra Maxwell Teknolojileri) bu gelişme üzerine aldı. Maxwell PRİ gelen Ultra kapasitör’ü kabul etti ve onlara"[11] güç uygulamaları için kullanımı altını çizdiği –Boost Caps- terimini kullandı.

Kondansatörlerde gerilimin karesi ile enerji miktarının artmasından dolayı, araştırmacılar için elektriksel kırılma gerilimi artırmak için bir yol aradılar. 1994 yılında 200 yüksek gerilim teanod elektrolitik kondansatör tantal kullanarak, David A. Evans "Elektrolitik-Hybrid Elektrokimyasal Kapasitör”ü geliştirdi.[12][13] Bu kondansatörler elektrolitik ve elektrokimyasal kapasitörlerin özellikleri birleştirir. Onlar birleştirmek yüksek dielektrik bir anot, bir elektrolitik kondansatör ile yüksek kapasiteli bir pseudocapacitive metal oksit (rutenyum (IV) oksit) katot, bir elektrokimyasal kapasitör, verimli bir hibrit elektrokimyasal kapasitör. Evans'ın kapasitörler, icat Capattery,[14] 5 kat aynı boyutta karşılaştırılabilir tantal elektrolitik bir kondansatör daha yüksek bir enerji içeriği vardı[15] yüksek maliyeti sebiyle kullanım alanı belirli askeri uygulamalar için oldukça sınırlıdır. Son gelişmeler lityum iyon kapasitörleri de içermektedir. Bu melez kapasitörler 2007 yılında FDK tarafından öncülük edilmiştir.[16] önceden katkılı lityum-iyon elektrokimyasal elektrot ile elektrostatik karbon elektrot sistemlerdir. Bu arada kapasitans değeri artar. Ayrıca, pre-doping işlemi yüksek hücre çıkış gerilimi anot potansiyeli ve sonuçları, daha fazla enerji yoğunluğu artan düşürür. Birçok aktif şirket ve üniversitelerin araştırma departmanları [17] özellikle enerji yoğunluğu, güç yoğunluğu, döngüsü istikrarı sağlamak ve üretim maliyetlerini düşürmek için çalışıyor.

Temelleri

Temel tasarım

Elektrokimyasal kapasitörler (Süper kapasitörler) iki elektrot iyon-geçirgen bir membran (ayırıcı) ile ayrılmış ve bir elektrolit ionically her iki elektrot bağlamadan oluşur. Elektrotlar uygulanan bir gerilim ile polarize olduğunda, elektrot için elektrolit şeklinde ters çift katman kutup elektrik iyonlarının karşısındadır. Örneğin, olumlu polarize elektrotlar pozitif iyonları negatif tabaka üzerine altyapı sorumlu dengeleyici bir tabaka ile birlikte elektrot/elektrolit ara negatif iyonlar tabakası vardır. Tam tersi olumsuz yönde polarize elektrotlar için de geçerlidir. Ayrıca, elektrot malzemesi ve yüzey şekline bağlı olarak, bazı iyonlar çift katman özel olarak absorbe iyonlar haline nüfuz ve süper kapasitör toplam kapasitans için pseudocapacitance ile katkıda bulunabilirler.

Kapasitans dağılımı

İki elektrot iki ayrı kapasitörler C1 ve C2 seri bir devre oluşturur. Toplam kapasitans Ctotal formülü ile verilir :

$C_{\text{total}}={\frac {C_{1}\cdot C_{2}}{C_{1}+C_{2}}}$

Süper kapasitörler ya simetrik ya da asimetrik elektrotlar olabilir. Simetri her iki elektrot aynı kapasitans değeri, her bir elektrot yarı değeri C1 = C2, sonra Ctotal = 0.5 Özellikler C1 (varsa) toplam kapasitans verimli olduğu anlamına gelmektedir. Asimetrik kapasitörler, toplam kapasitans küçük kapasitans C1 >> C2, sonra Ctotal İndirecektir C2 (varsa) ile elektrot olarak alınabilir.

Depolama ilkeleri

Elektrokimyasal kapasitörler Çift Katman suçlamaları ihtiva eden elektrik enerjisi, ancak, çift katmanlı bu bilindik katı dielektrik deposu efekti kullanın. Elektrik çift katmanlı bir elektrokimyasal kapasitör elektrotta toplam kapasitans katkıda bulunmak için iki farklı ilke vardır.

• Çift katmanlı kapasitans, elektrik enerjisi Helmholtz Çift Katman sorumlu ayrılması ile elde depolama elektrostatik.[19]
• Pseudocapacitance, elektrik enerjisini elektrokimyasal depolama şarj transferi ile faradik redoks reaksiyonları ile elde etmektedir.[11]

Hem kapasiteleri sadece ölçüm teknikleri ile ayrılabilir. Ücret miktarını elektrokimyasal bir kondansatör birim gerilim başına depolanan her bir depolama prensibi enerji miktarı çok farklı olsa da, öncelikle elektrot boyutu bir fonksiyonudur. Pratik olarak, bu depolama ilkeleri 1 100 farad sırasına göre kapasitans değeri olan bir kondansatör verimindedir.

Elektrostatik çift tabaka Kapasitansı

Sıvı elektrolit, elektrot ve çözünen pozitif iyonlar negatif iyonlar çift katlı basitleştirilmiş görünümdedir ve polarize moleküller bir tabaka ile ayrılmıştır. Her elektrokimyasal kapasitör iki elektrot, mekanik olarak elektrolit üzerinden ionically birbirine bağlı olan bir ayırıcı ile ayrılmış bulunmaktadır. Elektrolit pozitif ve negatif iyonlar su gibi bir çözücü içinde çözülmüş bir karışımıdır. İki elektrot her yüzeylerin sıvı elektrolit elektrot iletken metal yüzey kişileri bir alan yoktur. Bu arayüz çözünmez katı elektrot yüzeyi ve bitişik sıvı bir elektrolit gibi maddenin farklı aşamaları arasında ortak bir sınır oluşturur. Bu arabirim çift katman etkisi çok özel bir fenomen oluşur.[20] Elektrokimyasal bir kondansatöre gerilim uygulanması kapasitördeki elektrotların elektriksel çift katmanlı oluşturmasını sağlar. Bu çift katmanları şunları içerir: bir elektronik tabaka yüzeyi kafes yapısının elektrot, diğeri, zıt kutuplu, ortaya çözünmüş ve solvated iyonlar elektrolit, iki kat çözücü moleküller üretimi ile ayrılır, su molekülleri ile çözücü olarak işlenen suya iç Helmholtz düzlemi (IHP) denir. Çözücü molekülleri elektrot yüzeyinde fiziksel adsorpsiyon kalın ve ters polarize iyonları ayrı birbirinden ve moleküler bir dielektrik olarak idealize edilebilir. Bu süreç içinde, elektrot ve elektrolit arasında ücret karşılığında transfer yok, yapışma neden olan kuvvetlere kimyasal bağlar ama fiziksel kuvvetleri (elektrostatik kuvvetler değildir. Absorbe molekülleri polarize ancak, elektrolit ve elektrot arasında ücret karşılığında transfer eksikliği nedeniyle, hiçbir kimyasal değişiklikler yaşadı. Elektrotları şarj miktarı dış Helmholtz düzlemi karşı davasını (tepegöz) büyüklüğü ile eşleşti. Çift katmanlı bu fenomenler geleneksel bir kondansatör gibi elektrik yükü depolar. Çift katmanlı şarj uygulanan gerilim gücüne karşılık gelen IHP çözücü moleküllerinin moleküler tabakasında statik elektrik alanı oluşturur.

İdeal bir yapı ve fonksiyonu-çift katmanlı kondansatör. Her iki elektrot ifadeye bir Helmholtz bir gerilim çift katman uygulama ayna sorumlu elektrolit içindeki iyonlar zıt kutupların dağılımıyla ayrılmış olarak oluşturulacaktır. Geleneksel bir kondansatör, tek bir molekül kalınlığı ile de olsa, yaklaşık olarak çift katmanlı dielektrik katmanı olarak hizmet etmektedir. Böylece, geleneksel plakalı kondansatörler için standart formül kendi kapasitans hesaplamak için:[21]kullanılabilir.

$C=\varepsilon {\frac {A}{d}}$.

Buna göre, C En büyük kapasitörler geçirgenlik e, çok büyük elektrot plaka yüzey A bölgesi ve küçük arasındaki mesafe plakaları yüksek malzemelerden yapılmış d kapasitans. Sonuç olarak, çift katmanlı kapasitörler çok daha yüksek kapasitans değerleri daha geleneksel kapasitörler, kaynaklanan son derece geniş bir yüzey alanı aktif karbon elektrotlar ve son derece ince Çift Katman mesafeye sıralanışını birkaç ångströms (0.3-0.8 nm).[11][19] Ücret miktarını elektrokimyasal bir kondansatör birim gerilim başına depolanan öncelikle elektrot boyutu bir fonksiyonudur. Çift katı enerji elektrostatik depolama ücreti için saygı ve absorbe iyonları konsantrasyonu karşılık doğrusal değildir. Geleneksel kapasitörler şarj elektron transfer ederken,-çift katmanlı kapasitörler kapasitans elektrolit içindeki iyonların sınırlı hareket hızı ve elektrot direnç gözenekli yapısı ile ilgilidir. Hiçbir kimyasal değişiklikler elektrot ya da su içinde, gerçekleşecek bu yana, şarj ve elektrik çift katman prensipte boşaltma sınırsızdır. Gerçek Süper kapasitörler ömürleri yalnızca elektrolit buharlaşma etkileri ile sınırlıdır.

Elektrokimyasal Pseudocapacitance

Ana madde: Pseudocapacitance Bu açıklamaya pseudocapacitance elektrot için yük faradik yük aktarımına gönderilmiş çift katlı absorbe iyonlarından oluşmaktadır. Elektrokimyasal kapasitör bir gerilim uygulayarak terminalleri ters polarize elektrot elektrolit iyonları taşır ve çözücü molekülleri tek bir katman ayırıcı olarak davranır ve çift katman oluşturur. Pseudocapacitance elektrolit dışında özellikle absorbe iyonlar Çift Katmana yayııldığı zaman gerçekleşebilir. Bu pseudocapacitance bir elektrikli çift katmanlı bir elektrokimyasal kapasitör uygun elektrot yüzeyinde tersinir faradik redox reaksiyon yoluyla elektrik enerjisi depolar.[7][18][19][22][23] Pseudocapacitance. birlikte bir elektron şarj-transfer arasında elektrolit ve elektrot gelen bir de-solvated ve absorbe iyon oluşturduğu tek bir elektron başına yük birimi katılıyor. Bu faradik yük transfer düzeltilebilir redox çok hızlı dizi, electrosorption süreçleri intercalationorden kaynaklanır. Absorbe iyon şarj-transfer gerçekleşecek bu yana tek elektrot atomları (hiçbir kimyasal bağlar[24] ortaya) ile kimyasal bir reaksiyon ortaya çıkarır.

Faradik süreçler içeren elektronlar, redoks elektron ayraçlarının birleşme değerinde bulunan elektrot bölgelere gönderilir. Negatif elektrot girin ve ikinci bir anyon sayısı-çift katman oluşmuş pozitif elektroda dış devre üzerinden akar. Elektronlar pozitif elektroda ulaşan anyon kuvvetle iyonize kalmaları yerine ve "electron hungry" geçiş metal elektrot yüzeyindeki iyonlarına ulaşır. Çift katman şekillendirme aktarılmaz gibi görünen faradik pseudocapacitance depolama kapasitesi mevcut yüzey reaktif sınırlı miktarı ile sınırlıdır. Bir faradik pseudocapacitance oluşur ile birlikte bir statik çift katmanlı kapasitans ve onun büyüklüğü aşabilen değeri çift katmanlı kapasitans için aynı yüzey alanına göre 100 faktör bağlı olarak, doğası ve yapısı elektrot çünkü tüm pseudocapacitance tepkiler almak yerine sadece de-solvated iyonları, çok daha küçük solvated iyon ile solvating kabuk.[7][22] pseudocapacitance miktarını absorbe " eklenir dar sınırlar yüzey kapsama potansiyel-bağımlı derecesine göre belirlenir içinde doğrusal bir işlevi vardır. Elektrotların redoks reaksiyonlar ile , pseudocapacitance etkilerini tamamlamaları için, özgün veya electrosorption güçlü bir şekilde bağlıdır ve kimyasal benzeşme elektrot malzemeleri iyonları absorbe etmesi için üzerinde elektrot yüzeyi olarak yapısı ve elektrot gözenekleri boyutu gerekir. Redoks davranış sergileyen malzemeler olarak kullanılmak için elektrot pseudocapacitors olan geçiş metal oksit gibi RuO2, İrO2 veya eklenen MnO2 tarafından doping olarak iletken elektrot malzemesi olarak aktif karbon gibi iletken polimerler gibi polyaniline veya türevlerinin polythiophene kapsayan elektrot malzemeleridir. Elektrik yükü miktarı bir pseudocapacitance içinde saklı doğrusal olarak uygulanan gerilim ile doğru orantılıdır. Pseudocapacitance birimi farad’dır.

Potansiyel dağılımı

Bir süper kapasitör fonksiyonun temel örneklemi, kondansatör içindeki voltaj dağılımı ve DC devresinin basitleştirilmiş muadilidir. Boşaltma şarj sırasında Süper kapasitörler ve pil gerilimi davranışı açıkça farklıdır. Geleneksel kapasitörler (kondansatör elektrostatik olarak da bilinir), bu asceramic kapasitörler film kondansatörler, dielektrik malzeme ile ayrılmış olan iki elektrot içerir. Yüklendiğinde, elektrik yükü elektrot arasındaki dielektrik nüfuz statik elektrik alanda depolanır. Sırayla doğrusal potansiyel (gerilim) arasındaki plakalar ile ilişkili olan saklı ücret miktarı ile toplam enerji artar. Plakalar arasındaki maksimum potansiyel farkı (maksimum gerilim) dielektrik dağılımı alan gücü ile sınırlıdır. Aynı statik depolama da potansiyel en anot ince oksit tabakası içinde azalır elektrolitik kondansatörler için de geçerlidir. Biraz dirençli sıvı elektrolit (katot) potansiyel küçük bir düşüş hesapları için "ıslak iletken polimer ile elektrolitik kapasitörler bu gerilim düşümü ihmal edilebilir elektrolit ise" elektrolitik kapasitörleridir. Buna karşılık, elektrokimyasal kapasitörler (Süper kapasitörler) iki elektrot iyon-geçirgen bir membran (ayırıcı) ile ayrılmış ve elektriksel olarak bir elektrolit ile bağlı oluşur. Enerji depolama çift katmanlı kapasitans ve bir pseudocapacitance karışımı olarak her iki elektrot çift katmanlar içinde oluşur. Her iki elektrot var yaklaşık aynı direnci (iç direnç), potansiyel kondansatör azalır simetrik olarak hem de çift katman, mademki bir gerilim düşümü genelinde eşdeğer seri direnç (ESR) elektrolit elde edilir. Melez kapasitörler gibi asimetrik Süper kapasitörler için elektrotlar arasındaki gerilim düşümü asimetrik olabilir. Kondansatör üzerinden maksimum potansiyel (maksimum gerilim) elektrolit ayrışma gerilimi ile sınırlıdır. Süper kapasitörler elektrostatik ve elektrokimyasal enerji depolama hem geleneksel kapasitörler gibi saklanan şarj açısından doğrusal,. Kondansatör terminalleri arasındaki gerilim depolanan enerji miktarı açısından doğrusal. Bu tür lineer voltaj Gradyan hangi uçları arasındaki gerilim depolanan enerji miktarı bağımsız kalır şarj edilebilir elektrokimyasal piller, nispeten sabit bir gerilim sağlanması farklıdır.

Konstrüksiyon

Konstrüksiyon ayrıntıları

Süper kapasitörler iki metal folyo (geçerli toplayıcıları), hizmet veren aktif karbon gibi bir elektrot malzemesi ile imal edilmiştir elektrot malzemesi ve kondansatör dış güç terminalleri arasındaki bağlantı bulunur. Elektrot malzemesi için özellikle çok geniş yüzey alanına sahiptir. Bu örnekte aktif karbon malzemenin yüzeyi pürüzsüz yüzey daha bir faktör 100,000 büyük hakkında, böylece elektro-kimyasal olarak kazınmıştır. Elektrotlar ayrı iyon-geçirgen bir membran (ayırıcı) kısa devrelere karşı elektrot korumak için yalıtkan olarak kullanılan tarafından tutulur. Bu yapı sonradan ya silindirik veya dikdörtgen bir şekil içine yuvarlandı katlanmış ve alüminyum ya da uyarlanabilir dikdörtgen bir muhafaza içinde yığılmış olabilir. Hücrenin organik veya sulu tip sıvı veya yapışkan bir elektrolit emdirilmiş. Elektrolit, iyonik bir iletken, ayırıcı üzerinden elektrotlar arasında iletken bağlantı olarak gözenekleri elektrot ve hizmet girer. Son olarak konut hava geçirmez şekilde belirtilen kullanım ömrü boyunca istikrarlı davranış kontrol etmek için kullanınız.

Stiller

• Süper kapasitörler farklı stilleri PCB endüstriyel uygulamalar için kullanılan montaj radyal tarzı için lityum-iyon bir kondansatördür.

Malzemeler

Süper kapasitörler özelliklerini kendi iç malzemelerin etkileşimi. Özellikle, elektrot malzeme bileşimi ve elektrolit tipi kapasitörler işlevsellik ve termal ve elektriksel özelliklerini belirler.

Süper kapasitör türleri

Yukarıda açıklandığı gibi, elektrik enerjisi saklanır Süper kapasitörler üzerinden iki depolama ilkeleri: statik Çift Katman capacitanceand elektrokimyasal pseudocapacitance; ve dağıtımının iki tip kapasitans bağlı Malzeme ve yapı elektrotlar. Süper kapasitörler depolama prensibine dayalı:[11][19]üç tür vardır

* Çift katmanlı kapasitörler (EDLCs) – çok daha yüksek elektrostatik aktif karbon elektrotlar veya türevleri ile çift katman daha elektrokimyasal kapasitans pseudocapacitance
* Pseudocapacitors – geçiş metal oksit veya iletken yüksek bir elektrokimyasal polimer elektrotlar pseudocapacitance

* Hibrid kapasitörler – lityum-iyon gibi asimetrik elektrotlar, çoğunlukla elektrostatik hangi biri ve diğer çoğunlukla elektrokimyasal kapasitans, kondansatör

Elektrotlar

Parlak bir alan altında aktif karbon mikroskop ile çekilmiş bir ışığın mikroskobik yansımasıdır. Parçacıklar çok büyük yüzey alanlarında fraktal-benzeri şekiller almaktadır. Bu görüntü, her bir parçacık, üzerinde sadece 0,1 mm civarında olmasına rağmen, birkaç metrekarelik bir yüzey alanına sahiptir. Süper kapasitör elektrotlar genellikle ince kaplamalar uygulanmış ve elektriksel olarak iletken metalik bir akım toplayıcı bağlı. Elektrot iletkenliği, istikrar, uzun süreli kararlılık (tepkisizliği), yüksek korozyon direnci ve birim hacim başına yüksek yüzey alanları, yüksek sıcaklık ve kütle olmalıdır. Diğer gereksinimler, çevre dostu ve düşük maliyet imkanını içermektedir. Çift katman olarak pseudocapacitance bir süper kapasitör birim gerilim başına depolanan miktarı ağırlıklı olarak elektrot yüzey alanının bir fonksiyonudur. Bu nedenle süper kapasitör elektrotlar genellikle gözenekli, süngerimsi malzemenin olağanüstü yüksek spesifik yüzey alanı, aktif karbon gibi yapılır. Ayrıca, faradik şarj transferi gerçekleştirmek için elektrot malzemesi becerisi toplam kapasite geliştirir. Genellikle daha küçük elektrot bu gözenekler, daha büyük kapasite ve enerji yoğunluğu anlamına gelmektedir. Ancak, daha küçük (ESR) ve güç yoğunluğu artırmak veya azaltmak için gözeneklerini ifade eder. Yüksek tepe akımları ile uygulamalar, yüksek enerji yoğunluğu gerektiren gerekir küçük gözenekler ise daha büyük gözenekleri ve düşük iç kayıplar gerektirir.

EDLCs için elektrotla

En sık kullanılan elektrot malzemesi için Süper kapasitörler karbon çeşitli tezahürleri gibi aktif karbon (AC), karbon fiber kumaş (AFC), karbür kaynaklı karbon (CDC), köpük, karbon, grafit (grafen), graphane[25] ve karbon nanotüpler(CNTs).[18][26][27] Az miktarda Pseudocapacitance mevcut gözenek boyut dağılımına bağlı olsa da karbon tabanlı bir sergi ağırlıklı olarak statik çift katmanlı elektrot kapasitans özelliği gösterir. Karbonlar içinde gözenek boyutları genellikle mesopores (2-50 nm),[28] micropores (en az 2 nm) arasında değişir ama sadece micropores (<2 nm) pseudocapacitance katkıda bulunur. Gözenek boyutu kabuk boyutu, çözücü molekülleri tutulur ve sadece unsolvated iyonları gözenekleri (hatta büyük iyonlar için) dolgu çözme, faradik tarafından paketleme yoğunluğu ve depolama kapasitesi iyonik giderek yaklaşırken 2H özelliği gösterir.[18]

Aktif karbon

Aktif karbon (AC) EDLC elektrotlar için seçiken ilk malzemedir. Elektrik iletkenliği metaller (1,250 2,000 S/m) 0.003% yaklaşık olarak bile olsa, Süper kapasitörler için yeterlidir.[19][11] Aktif karbon birçok gözenekli karbon ile yüksek spesifik yüzey alanı — ortak bir yaklaşım olduğunu 1 gram (0.035 oz) (kalem-silgi-boy miktarı) sahip bir yüzey alanı Yaklaşık 1,000-3,000 metre kare (11,000 32.000 metrekarelik)[28][26] — boyutu tenis kortlarının 4 ila 12’si kadardır. Toplu şeklinde elektrotlar kullanılır çok düşük yoğunluklu gözenekler, yüksek çift katmanlı kapasitans vermektedir. Katı aktif karbon, aynı zamanda vadeli konsolide şekilsiz karbon (CAC) Süper kapasitörler için en çok kullanılan elektrot malzemesi ve diğer karbon türevleri daha ucuz olabilir.[29] aktif karbon malzemeden imal edilmiştir toz istenilen şekil içine preslenmiş, gözenek boyutları geniş bir dağıtım ile bir blok oluşturan. 10 μF çift katmanlı tipik bir kapasitans/cm² 1000 m²/g sonuçları hakkında bir yüzey alanına ve 100 belirli bir kapasitans ile bir elektrot F/g değerindedir. 2010 yılı itibarıyla hemen hemen tüm ticari Süper kapasitörler toz aktif karbon çevre dostu hindistan cevizi kabuğundan yapılmaktadır.[30] hindistan Cevizi kabuğu odun kömürü ile daha gözenekcikler ile aktif karbon üretmektedir.[28]

Aktif karbon lifleri

Aktif karbon lifleri (ACF) aktif karbon üretilmiş ve 10 mikron tipik bir çapa sahip. Kolayca kontrol edilebilen çok dar gözenek boyut dağılımına sahip micropores olabilir. AFC yüzey alanı bir tekstil içine dokunmuş 2500 m²/g. AFC elektrotlar avantajları toplayıcı fiber ekseni ve iyi iletişim boyunca düşük elektrik direnci vardır.[26] Aktif karbon, AFC elektrotlar ağırlıklı olarak-katman çift onların micropores nedeniyle pseudocapacitance küçük bir miktar ile kapasitans özelliği sergiler.

Karbon köpük

Eldeki köpük bir blok halinde Karbon köpük çok gözenekli, sentetik, hafif bir malzeme olan jel sıvı bileşeni bir gaz ile değiştirilmiştir organik bir jel elde edilir. Ayrıca buna "donmuş duman"da denmektedir. Köpük elektrotlar-formaldehit jelatin aerogels % s " üzerinden yapılır.[31] ve en aktif Karbonlar daha iletken. Uniform gözenek boyutu ile birkaç yüz mikrometre (mikron) arasında değişen bir kalınlığa sahip İnce ve mekanik olarak dayanıklı elektrotlar sağlar. Köpük elektrotlar da süper kapasitörler gibiyüksek titreşimli ortamlarda kullanılan mekanik ve titreşim istikrarı sağlar. Araştırmacılar, oluşturulan bir köpük karbon elektrot ile gravimetrik yoğunluk yaklaşık 400–1200 m²/g spesifik kapasitans 104 F/cm³, verimli bir enerji yoğunluğu 325 kJ/kg ürettiler. (90 Wh/kg ve güç yoğunluğu 20 W/g.)[32] [33] Standart köpük elektrotlar ağırlıklı olarak çift katmanlı kapasitans özelliği sergiler. Kompozit malzeme dahil köpük elektrotlara yüksek miktarda pseudocapacitance ekleyebilirsiniz.[34]

Karbür kaynaklı karbon

Gözenekleri farklı boyutları karbür haberciler dağılımları. Karbür kaynaklı karbon (CDC) olarak da bilinen ayarlanabilir nanogözenekli karbon, bir ailenin karbon malzeme türetilmiş carbideprecursors gibi ikili silikon karbür, titanyum karbür, dönüştürülmüş içine saf karbon) fiziksel (örneğin, termal bozunma) veya kimyasal (örneğin, halogenation) kullanır.[35][36] 2015’te, CDC bir supercapacitor 10.1 Wh/enerji yoğunluğu sunulan kg, 3 bin 500 F kapasitans ve bir milyondan fazla şarj/deşarj olarak önermektedir.[37]

Grafen

Grafen karbon atomlarının atomik ölçekli petek örgüsünden yapılmıştır. Grafen iki düzenli altıgen desenli olarak düzenlenmiş olan grafitin tek atom kalınlığında bir levhadır. [38] "Nanokompozit kağıt" olarak da adlandırılır.[39] Grafen teorik olarak 550 kapasitans yol açabilir 2630 m²/g teorik özgül yüzey alanına sahiptir F/g. Buna ek olarak, aktif karbon üzerinde grafen bir avantajı daha yüksek elektrik iletkenliği. 2012 yılı itibarıyla yeni bir gelişme doğrudan grafen levhalar taşınabilir uygulamalar için koleksiyoncular olmadan elektrot olarak kullanılır.[40] [41] Bir şekillenme, bir grafen tabanlı supercapacitor kullanır kavisli grafen yaprak olmayan bir yığın yüz yüze, şekillendirme mesopores bu erişilebilir ve ıslanabilir tarafından çevre dostu iyonik elektrolit gerilim ve 4 V. 85.6 Wh/kg (308 kJ/kg) belirli bir enerji yoğunluğu 100-1000 kat daha fazla güç yoğunluğu ile oda sıcaklığında geleneksel nikel-metal hidrit pil o eşit, ancak elde edilir.[42] [43] Grafen iki boyutlu yapısını şarj ve deşarj geliştirir. Dikey duran çarşaf yük taşıyıcıları hızlı veya elektrot derin yapılar, böylece artan akımların içine taşıyabilir. Bu kapasitörler supercapacitors diğer karbon malzeme kullanarak için ulaşılamaz olan 100/120 Hz filtre uygulamaları için uygun olabilir.[44]

Karbon nanotüpler

Karbon nanotüpler (CNTs), ayrıca buckytubes de denilen bir silindirik nano yapılı karbon molekülleridir. Duvarlar tek bir atom kalınlığında grafen tabakaları oluşturduğu içi boş bir yapısı vardır. Bu levhalar özel ve ayrık at alınır ("kiral") açıları ve elektrik iletkenliği, elektrolit ıslanma ve iyon erişim gibi kiral açı ve yarıçap denetimleri özellikleri kombinasyonudur. Nanotüpler tek duvarlı nanotüpler (SWNTs) veya çok duvarlı nanotüpler (MWNTs) olarak kategorize edilir. İkincisi, bir veya daha fazla dış boruları arda bir SWNT saran Rus matruşka bebekleri gibidir. SWNTs çapları 1 ila 3 nm arasında değişen var. MWNTs kalın koaksiyel duvarlar, grafen yok arası mesafe yakın aralığı (0.34 nm) ile ayrılmıştır. Nanotüpler dikey toplayıcı yüzey, silikon gofret gibi büyüyebilir. Tipik uzunlukları 20 ile 100 mikron civarındadır.[45] Karbon nanotüpler ıslanabilir yüksek yüzey alanı ve yüksek iletkenliği nedeniyle büyük kondansatör performansını artırabilmektedir.[46][47] SWCNTs bazlı sulu elektrolit ile süper kapasitör son zamanlarda sistematik olarak Delaware Üniversitesi Prof. Bingqing Wei’ye ait grupta incelenmiştir. Li, ilk defa keşfedilen iyon boyut etkisi ve elektrot-elektrolit ıslanma olan hakim etkileyen faktörler elektrokimyasal davranışı esnek SWCNTs-Süper kapasitörler farklı 1 M sulu elektrolitler ile farklı anyon ve katyonlara bağlamıştır. Deneysel sonuçlar da esnek süper kapasitör, iki elektrot arasında yeterli basınç sulu elektrolit CNT süper kapasitör geliştirmek için koymak için önerilen olduğu için göstermiştir.[48] CNTs ama nanotüpler birim yüzey alanı başına aktif karbon,' yüzey düzenli bir model olarak düzenlenmiş, daha fazla ıslanma sağlıyor. aynı şarj depolayabilir SWNTs bir yüksek teorik özgül yüzey alanı 1315 m²/g iken MWNTs' kıdemli özel AJAN ve alt tarafından belirlenir çaplı tüpler ve lisans yerleştirme göre yüzey alanı yaklaşık 3000 m²/g olan aktif Karbonlar. Bununla birlikte, CNTs aktif karbon elektrotlar daha yüksek kapasitans, örneğin, 102 SWNTs için MWNTs ve 180 F/g/g F vardır.[49] MWNTs elektrot/elektrolit Ara iyonların kolay erişim için izin mesopores. Gözenek büyüklüğü iyon çözme kabuk boyutu yaklaşırken, çözücü molekülleri kısmen, daha büyük iyonik paketleme yoğunluğu ve artan faradik depolama kapasitesi elde kaldırılır. Ancak, önemli birimi tekrarlanan özgün ve tükenmesi azalımı sırasında mekanik sağlamlık değiştirilir. Bu amaçla, yüzey alanı, mekanik dayanım, elektrik iletkenliği ve kimyasal kararlılığı artırmak için araştırma devam ediyor.[46][50][51][52]

Pseudocapacitors için elektrotlar

Faradik yük transfer ile Pseudocapacitance de her zaman çift katmanlı elektrotlar karbon mevcut, ama EDLC elektrot pseudocapacitance miktarı oldukça düşüktür. Pseudocapacitance elektrot yüzeyleri yeterli faradik süreçleri pseudocapacitance çoğunluğu elde etmek mümkündür. Çift katmanlı kapasitans olmadan Pseudocapacitance elektrotlar var olamamaktadır.

Metal oksit

B. E. Conway araştırma[7][8] pseudocapacitance yüksek miktarda yaşandığı geçiş metal oksit elektrotlar nitelendirdi. Geçiş metali oksitleri rutenyum dahil(RuO2), (IrO iridyum 2), demir (Fe3O4), (MnO manganez2) ya da titanyum sülfür gibi kükürt (TiS2) Rutenyum dioksit H ile birlikte tek başına veya birlikte güçlü faradik elektron–transfer reaksiyonları düşük direnç ile birlikte oluşturulur.[53] 2SO 4 elektrolit 720 F/g spesifik kapasitans ve 26.7 Wh/kg (96.12 kJ/kg) yüksek enerji yoğunluğu sağlar.[54] Şarj/deşarj elektrot başına yaklaşık 1.2 V bir pencere üzerinde yer alır. F/g yaklaşık 720 bu pseudocapacitance çift katmanlı kapasitans aktif karbon elektrotlar kullanarak oranla yaklaşık 100 kat daha yüksek. Bu geçiş metal elektrotlar mükemmel prensipleri, yüz bin birkaç döngüleri ile sunuyoruz. Ancak, rutenyum pahalı ve bu kondansatör için 2.4 V gerilim pencereden askeri ve uzay uygulamaları için uygulamaları sınırlar.

2014 yılında bir RuO 2 süper kapasitör bağlantılı bir grafen köpük elektrot teslim spesifik kapasitans 502.78 F g−1 ve alan kapasitans 1.11 F cm−2) önde gelen bir enerji yoğunluğu 39.28 Wh/kg ve güç yoğunluğu 128.01 kW/kg 8000 devir ile sürekli performans sağlamıştır. Cihaz üç boyutlu (3D) alt-5 nm sulu rutenyum bağlantılı grafen ve karbon nanotüp (CNT) hybrid köpük (RGM) mimarisidir. Grafen köpük conformally RuO melez ağları ile kaplıdır. nanoparçalar ve demirli CNTs.[55][56] Demir, vanadyum, nikel ve kobalt gibi daha az pahalı oksit sulu elektrolit test edildi, ama hiçbiri kadar manganez dioksit olarak incelenmiştir. (MnO2) Ancak, bu gazlar hiçbiri ticari kullanım alanına sahip değildir.[57]

İletken polimerler

Başka bir yaklaşım elektron iletken pseudocapacitive malzeme olarak polimerleri kullanır. Mekanik olarak zayıf olmasına rağmen, iletken polimerler yüksek iletkenlik, düşük ESR ve nispeten yüksek bir kapasite ile sonuçlanır. Bu iletken polimerler polyaniline, polythiophene, polypyrrole ve polyacetylene vardır. Bu elektrotlar da anyon ve katyon ile polimerler elektrokimyasal doping ya da dedoping kullanır. Ya da iletken polimer ile kaplı dışında elektrotlar karbon elektrotlar karşılaştırılabilir maliyete sahiptir. İletken polimer elektrotlar genellikle sınırlı döngü istikrarı saihp değildir.[58] Ancak, polyacene elektrotlar 10,000 döngüleri sağlamak için piller çok daha iyidir.[59]

Melez kapasitörler için elektrotlar

Tüm ticari melez Süper kapasitörler asimetrik. Onlar çift katmanlı kapasitans yüksek miktarda bir elektrot ile pseudocapacitance yüksek miktarda bir elektrot birleştirin. Bu sistemlerde daha yüksek kapasite ile faradik pseudocapacitance elektrot olmayan faradik EDLC elektrot yüksek güç yoğunluğu sağlar iken yüksek enerji yoğunluğu sağlar. Simetrik EDLC ile karşılaştırıldığında hibrit tip Süper kapasitörler bir avantajı daha yüksek spesifik kapasitans değeri olarak daha yüksek voltaj ve buna bağlı olarak daha yüksek özgül enerji sağlar.[60]

Kompozit elektrotlar

Tipi karma Süper kapasitörler için kompozit elektrotlar karbon bazlı malzeme dahil ile elde edilen veya metal oksit ve iletken polimerler gibi pseudocapacitive aktif madde yatırılır. 2013 yılında, Süper kapasitörler için yapılan araştırmalar kompozit elektrotları keşfetmeye devam ediyor. CNTs metal oksit homojen bir dağıtım ya da elektriksel olarak iletken polimerler (Ecp'ler) için bir omurgaya sahiptir, iyi pseudocapacitance üreten ve iyi çift katmanlı kapasitansa sahiptir. Bu elektrotlar ya saf karbon veya oksit veya polimer bazlı elektrotlar saf metal daha yüksek kapasiteleri elde etmektedir. Bu nanotüpler dağıtıma sahiptir. şarj üç pseudocapacitive malzemelerin homojen bir kaplama sağlar' karışık mat yapısı ve erişilebilirlik atfedilir Pseudocapacitve malzemeleri çapa işlemi genellikle hidrotermal süreç, ancak, son araştırmacı, Li et al., kullanım Delaware Üniversitesi bulundu SWNTs film MnO2 organik elektrolit süper kapasitör temel yapmak için zemin hazırlamak için basit ve ölçülebilir bir yaklaşımdır.[61] CNT elektrotlar geliştirmek için başka bir yol lityum iyon kapasitörler gibi pseudocapacitive bir katkı maddesi ile doping tarafından. Bu durumda nispeten küçük lityum atomlarının karbon katmanları arasında intercalate.[62] anot lityum katkılı bir katot aktif karbon ile düşük negatif potansiyel sağlayan karbon,. Bu elektrolit oksidasyon önleyen 3.8-4 V daha büyük bir gerilim olur. 2007/g 550 F kapasitans elde ettiler.[5] ve ulaşmak bir enerji yoğunluğu 14 Wh/kg (50.4 kJ/kg).[63]

Pil Tipi elektrotlar

Şarj edilebilir pil elektrotları yeni bir elektrot melez tipi lityum iyon kapasitörler için süper kapasitör elektrotlar gelişimini etkiledi.[64] Asimetrik bir yapı içinde karbon EDLC bir elektrot ile birlikte bu yapılandırma daha yüksek güç yoğunluğu ile tipik süper kapasitörler daha yüksek enerji yoğunluğu fazla, daha uzun ömürlü ve hızlı şarj-reşarj sürelerine sahiptir. Kendi yapısı kompozit elektrotlar olarak nitelendirir iken, genellikle kompozit elektrot kategorisinde yer almaktadır. Asimetrik elektrotlar (EDLC Sözde/) Son zamanlarda bazı asimetrik hibrit Süper kapasitörler hangi pozitif elektrot gerçek pseudocapacitive metal oksit ve EDLC aktif karbon negatif elektrota (bileşik elektrot) dayalı geliştirilmiştir. Süper kapasitörler bu tür bir avantajı daha yüksek gerilim ve buna bağlı olarak daha yüksek özgül enerji sağlarlar. (10-20 Wh/kg (36-72 kJ/kg)).[65] Bilinen kadarıyla asimetrik elektrotlar Süper kapasitörler arasında ticari bir değere sahip değildir.

Elektrolitler

Elektrolitler katyon pozitif ve negatif anyon içine ayırmak, elektrolit yapma iletken çözücü ve çözünmüş bir kimyasal madde içerir. Elektrolit içeren iyonları iletkenliği o kadar iyi olur. Süper kapasitörler elektrolit içinde iki elektrot arasında iletken bağlantıyı oluşturur. Ayrıca, Süper kapasitörler içinde elektrolit Çift Katman Helmholtz arasındaki ayırıcı üretimi için molekülleri sağlar ve pseudocapacitance için iyonları sağlar. Elektrolit kondansatör özelliklerini belirler: çalışma voltajı, sıcaklığı, ESR ve kapasitans. Organik bir elektrolit sadece 100 elde ederken aynı aktif karbon elektrot ile sulu bir elektrolit 160 kapasitans değerleri elde edilir F/g F/g.[66] Elektrolit kimyasal olarak durağan olması ve kimyasal kondansatör diğer malzemeler uzun kondansatör elektriksel parametrelerin zaman kararlı davranışı sağlamak için saldırı gerekir. Elektrolit ıslatmak için yeterince düşük olmalıdır elektrot, sünger gibi gözenekli yapısı Viskozite. İdeal bir elektrolit, performans ve diğer gereksinimler arasında bir uzlaşma zorlaması yoktur.

Su ile ilgili

Su inorganik kimyasallar için oldukça iyi bir çözücüdür. Sülfürik asit gibi asitler ile tedavi (H2SO4), potasyum hidroksit (KOH) veya dördüncül fosfonyum tuzu gibi tuzlar gibi alkaliler, sodyum perklorat (NaClO4), lityum perklorat (LiClO4) ya da lityum heksaflorid arsenate (LiAsF6), su bulunmaktadır nispeten yüksek iletkenlik 100 ila 1000 mS/cm değerleri. Sulu elektrolit elektrot başına 1.15 V (2,3 kondansatör gerilimi V) ayrışma gerilimi ve nispeten düşük bir çalışma sıcaklığı aralığı vardır. Düşük enerji yoğunluğu ve yüksek güç yoğunluğu ile Süper kapasitörler kullanılır.

Organik

Tetraethylammonium tetrafluoroborate gibi dördüncül amonyum tuzları veya alkil amonyum tuzları ile asetonitril, propilen karbonat, tetrahydrofuran, dietil karbonat, gamma-butirolakton ve çözümleri gibi organik çözücüler ile elektrolit (N(Et)4BF4[67]) veya (metyl) triethyl tetrafluoroborate (NMe(Et)3BF4) sulu elektrolitler daha pahalı, ama genellikle elektrot (2.7 V kondansatör gerilimi) başına 1.35 V ve daha yüksek bir sıcaklık aralığı daha yüksek ayrışma bir gerilim vardır. Düşük organik çözücüler elektrik iletkenliği (10 ila 60 mS/cm) voltaj karesi, yüksek bir enerji yoğunluğu enerji yoğunluğu artar bu yana daha düşük bir güç yoğunluğuna sahiptir.

Ayırıcılar

Ayırıcılar fiziksel olarak iki elektrot ayırmak için doğrudan temas ederek kısa devre önlemek için. Çok ince (milimetrenin birkaç yüzde) ve iletken iyonları için ESR en aza indirmek için çok gözenekli olması gerekir. Ayrıca, ayırıcılar kimyasal tepkimeye elektrolit denge ve iletkenlik korumak için olmalıdır. Ucuz bileşenleri açın kondansatör kağıtları kullanın. Daha sofistike tasarımlar poliakrilonitril veya Kapton, cam elyaf dokuma ya da dokuma gözenekli seramik lifler gibi dokunmamış gözenekli polimerik filmler kullanın.[68][69]

toplayıcılar ve oturtma

Akım toplayıcılar kondansatör terminali için elektrotlar bağlayın. Toplayıcı ya da elektrot üzerine püskürtülür ya da metal bir folyo olduğunu. 100 A. tepe akımları dağıtmak gerekir Eğer gövde bir metal (genellikle) alüminyumdan yapılmış ise toplayıcıları aynı malzemeden aşındırıcı galvanik bir hücre oluşumu önlemek için yapılmalıdır.

Elektriksel parametreler

[Düzenle]

Ticari kapasitör için kapasitans değerleri olarak belirtilen "kapasitans anma". CR Bu kondansatör tasarlanmıştır değerdir. Gerçek bir bileşeni için değer sınırları belirtilen tolerans verdiği içinde olmalıdır. Tipik değerler aralığı offarads (F), büyüklük üç ila altı siparişler elektrolitik kapasitörler daha büyüktür.Kapasitans değeri yüklü bir kondansatör DC gerilim bir DC üzerinden yüklenen enerji W sonuçları.

$W={\frac {1}{2}}\cdot C_{\text{DC}}\cdot V_{\text{DC}}^{2}$

Bu değere"DC kapasitans" denir.

Ölçüm

Geleneksel kapasitörler normalde küçük bir AC gerilim (0.5 V) ve 100 Hz veya 1 kHz frekanslı kondansatör türüne bağlı olarak ölçülür. AC kapasitans ölçümü hızlı sonuçlar, Endüstriyel üretim hatları için önemli bulunmaktadır. Bir süper kapasitör kapasitans değeri güçlü gözenekli elektrot yapısı ve sınırlı elektrolit iyon hareketlilik ile ilgili olan ölçüm sıklığına bağlıdır. Hatta 10 Hz gibi düşük bir frekansta ölçülen kapasitans değeri DC kapasitans değeri 100 ila yüzde 20 eder. Bu olağanüstü güçlü frekans bağımlılığı iyonları bu gözenekler elektrot taşımak için farklı mesafeler ile açıklanabilir. En başında bu alanı kolayca iyonları tarafından erişilebilir gözenekleri. Kısa mesafe düşük elektrik direnci eşlik eder. İyonlar kapak için mesafe, daha yüksek direnç o kadar artar. Bu fenomen seri RC zaman sabitleri ile basamaklı RC (direnç/kondansatör) elemanlarının seri devre ile tanımlanabilir. Geciken akım bu sonuç, kutup değiştirirse iyonları ile kaplı olabilir toplam elektrot yüzey alanı azaltmak – kapasitans AC frekans arttıkça azalır. Böylece toplam kapasite sadece daha uzun ölçüm süreleri sonunda elde edilir. Süper kapasitörler kapasite ölçümü için örnekleme koşulları : Kapasitans çok güçlü bir frekans bağımlılığı yüzünden bu elektriksel parametre özel sabit akım şarj ve deşarj ölçüm ile ölçülen, IEC standartlarına 62391-1 tanımlanan ve -2 var. Ölçüm kondansatör şarj ile başlar. Gerilim uygulanacak ve sabit akım/sabit voltaj güç kaynağı anma gerilimi elde ettikten sonra, kondansatör 30 dakika boyunca şarj edilmesi gerekir. Sonraki, kondansatör sabit akım deşarj bir İdischarge ile taburcu olması gerekiyor. Zaman t1 ve voltaj 40% (V2) en çok oy alan 80% (V1) damla için t2, daha gerilim ölçülür. Kapasitans değeri olarak hesaplanır:

:$C_{\text{total}}=I_{\text{discharge}}\cdot {\frac {t_{2}-t_{1}}{V_{1}-V_{2}}}$

Deşarj akım değeri uygulama tarafından belirlenir. IEC standart dört sınıfları tanımlar:

* Hafıza yedekleme

• Enerji depolama
• Güç, akıntı

• Anlık güç

Ölçüm yöntemleri tek tek üreticiler tarafından istihdam ağırlıklı standart yöntemleri karşılaştırılabilir.[70][71] Standartlaştırılmış ölçme yöntemi üreticileri, her bir bileşen için üretim sırasında kullanmak için zaman durur. Endüstriyel üretilen kapasitör için kapasitans değeri daha hızlı düşük frekanslı AC gerilim ölçülür yerine ve korelasyon faktörü anma kapasitans hesaplamak için kullanılır. Bu frekans bağımlılık kondansatör çalışmasını etkiler. Hızlı şarj ve deşarj ne anma kapasitans değeri ne de enerji yoğunluğu mevcut. Bu durumda nominal kapasitans değeri her uygulama durumu için hesaplanır.

Çalışma gerilimi

[değiştir] 5.5 volt süper kapasitör İki tek kişilik hücreler, her biri en az 2.75 volt anma, seri bağlantılı olarak inşa edilmiştir . Süper kapasitörler alçak gerilim bileşenleri. Güvenli çalışma voltaj belirtilen sınırlar içinde kalmasını gerektirir. Anma gerilimi sürekli olarak uygulanan DC gerilim veya yüksek darbe gerilimi maksimum URI ve belirtilen sıcaklık aralığında kalır. Kondansatörleri sürekli anma gerilimini aşan gerilimlere maruz bırakmayın. Anma gerilimi hangi elektrolit parçalanır elektriksel delinme gerilimi karşı bir güvenlik payı içerir. Arıza gerilim Helmholtz yer ayıran çözücü molekülleri parçalanır çift katman, örneğin su hidrojen ve oksit böler. Çözücü molekülleri daha sonra birbirlerinden elektrik ücretleri ayrı olamaz. Anma gerilimi daha yüksek bir gerilim hidrojen gazı oluşumu veya kısa devreye neden olmaktadır. Sulu elektrolit ile standart Süper kapasitörler normalde 2.1 2.3 V nominal gerilim ve 2.5 2.7 V ile organik maddeleri ile kapasitörler ile belirtilen Lityum-iyon katkılı elektrotlar ile kapasitörler 3.8 4 V nominal gerilim ulaşabilir, ama 2.2 V alt voltaj sınırıdır.. Anma gerilim altında çalışma Süper kapasitörler elektriksel parametrelerin uzun zaman davranışı geliştirir. Bisiklete binme sırasında kapasitans değerleri ve iç direnci daha kararlı ve ömür boyu ve deşarj/şarj uzatılabilir.[71] Süper kapasitörler anma gerilimleri genellikle uygulamalar gerektirir daha düşük. Yüksek gerilim uygulama seri bağlama hücreleri gerektirir. Her bileşen kapasitans değeri ve ESR arasında küçük bir fark vardır beri, aktif veya pasif olarak onlara uygulanan gerilimi stabilize etmek için dengelemek için gereklidir. Pasif dengeleme Süper kapasitörler paralel dirençler kullanır. Aktif dengeleme akım değişen bir eşik elektronik voltaj yönetimi içerebilir.

İç direnç

Dahili DC direnci deşarj başlangıç anında gerilim düşümü yardımcı çizgi düz kısmı genişletilmiş kesişiminden elde edilen ve zaman tabanından hesaplanabilir. /A süper kapasitör boşaltma gözenekli yapısı içine elektrotlar ve ayırıcı arasında elektrolit içindeki yük taşıyıcılarının hareketi (iyonlar) bağlı. Kayıplar dahili DC direnç olarak ölçülebilen bu hareketi sırasında meydana gelir. Seri bağlı elektrotları (direnç/kondansatör) RC elemanları gözenekleri basamaklı elektriksel modeli ile, içine şarj taşıyıcıların artan penetrasyon gözenek derinliği ile iç direnç artar. Dahili DC direnci zamana bağlı ve şarj sırasında artar. Uygulamalar genellikle sadece otomatik açma ve kapama aralığı ilginç. İç direnç Rika gerilim düşümü taburcu ΔV2, sabit akım deşarj bir İdischarge başlayarak hesaplanır. Yardımcı çizgi düz kısmı genişletilmiş ve zaman temel deşarjı başlatmak zaman kesişimi (bkz: resim sağda) elde edilir. Direnç hesaplanmış olabilir.

$R_{\text{i}}={\frac {\Delta V_{2}}{I_{\text{discharge}}}}$

İç direnç ölçümü için deşarj geçerli İdischarge IEC 62391-1 göre sınıflandırma alınabilir. Bu iç direnç Ri DC AC iç direnç Eşdeğer Seri Direnç (ESR) normalde kapasitörler için belirtilen adı ile karıştırılmamalıdır. 1 kHz ile ölçülür. ESR DC direnci çok daha küçük. ESR süperiletken ani akımları ya da diğer pik akımları hesaplamak için uygun değildir. Ri birkaç süper kapasitör özelliklerini belirler. Ve pik akımları olarak şarj/deşarj kez şarj deşarj Limitleri. Ri ve kapasitans C zaman sabiti sonuçları

$\tau =R_{\text{i}}\cdot C$

Bu sefer sürekli deşarj süresi/şarj belirler. Örneğin 30 mΩ bir iç direnç ile 100 F Bir kondansatör, bir süre = 3 0.03 • 100 s sabit vardır. 3 saniyelik bir akım iç direnç ile sınırlı ile şarj ettikten sonra, kondansatör tam şarj (veya tam şarj 36.8% deşarj) 62.3'üne sahiptir. Sürekli iç direnci ile standart kapasitörler tam 5 T sırasında şarj edin. Şarj ile iç direnci artırır beri, bu kez gerçek formülü ile hesaplanamaz. Böylece, deşarj süresi/şarj belirli bir yapı detayları bağlıdır. Mevcut yük ve istikrar döngüsü[Düzenle] Süper kapasitörler kimyasal bağların olmadan çalışmaz çünkü, mevcut yük, şarj, deşarj ve pik akımları da dahil olmak üzere tepki kısıtlamalar ile sınırlı değildir. Mevcut yük ve istikrar döngüsü şarj edilebilir piller için çok daha yüksek olabilir. Mevcut yükler piller için önemli ölçüde daha düşük bir iç direnç ile sınırlıdır.

Deşarj akımları ya da pik akımları

Bu ısı ve belirtilen maksimum sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda muhafaza için ortam çevreye serbest dağıtılmalıdır. Isı genellikle elektrolit difüzyon nedeniyle kondansatör ömrünü tanımlar. Isı üretimi mevcut yükler gelen maksimum ortam sıcaklığı 5 ila 10 K beklenen ömrü üzerinde sadece küçük bir etkisi vardır) daha küçük olmalıdır. Bu nedenle sık sık bisiklet için belirtilen şarj ve deşarj akımları iç direnci tarafından belirlenir. Maksimal koşulları altında belirtilen döngüsü parametreleri şarj ve deşarj akımı, darbe süresi ve frekansı vardır. Tanımlanmış bir ömür boyu tam voltaj aralığı üzerinde tanımlanmış bir sıcaklık aralığı için belirtilen. Çok elektrot gözeneklilik, gözenek boyutu ve elektrolit kombinasyonu göre değişir. Genellikle düşük akım yük kondansatör ömrü artar ve devir sayısı artar. Bu da daha düşük bir gerilim aralığında ya da daha yavaş şarj etme ve boşaltma elde edilebilir.[71] Süper kapasitörler (polimer elektrotlar olanlar hariç) potansiyel olarak önemli bir kapasite damla veya iç direnci artırır olmadan bir milyondan fazla şarj/deşarj destekleyebilir. Daha yüksek akım yük altında bu piller üzerinde Süper kapasitörler ikinci büyük avantajı. İstikrar çift elektrostatik ve elektrokimyasal depolama esasları sonuçları. Belirtilen şarj ve deşarj akımları önemli ölçüde tek bir darbe ile frekansını düşürerek ya da aştı. Isı tek bir darbe ile oluşturulan bir sonraki darbe nispeten küçük ortalama ısı artışı sağlamak için oluşana kadar zamana yayılmış olabilir. Böyle bir "doruk güç mevcut" güç uygulamaları için Süper kapasitörler fazla 1000 F sağlayabilir maksimum tepe akımı 1000 A[72] bu Tür yüksek akım üretmek yüksek termal stres ve yüksek elektromanyetik kuvvetler bu zarar verebilir elektrot-toplayıcı bağlantısı gerektiren sağlam tasarım ve inşaat kapasitörler.

Enerji kapasitesi

Ragone grafik güç yoğunluğu gösteren çeşitli kapasitörler yoğunluğu vs enerji ve piller Süper kapasitörler/yüksek enerji rechargeablebatteries yüksek güç/düşük enerji elektrolitik kapasitörler ve düşük güç arasındaki boşluğu kaplar. Bir kondansatörde depolanan enerji Wmax formülü ile verilir.

$W_{\text{max}}={\frac {1}{2}}\cdot C_{\text{total}}\cdot V_{\text{loaded}}^{2}$

Bu formül enerji miktarını saklı açıklar ve genellikle yeni araştırma başarıları tanımlamak için kullanılır. Ancak, depolanan enerjinin sadece küçük bir kısmı gerilim düşümü ve zaman iç direnci üzerinde sürekli saklı ücretten biraz ulaşılmaz olduğu anlamına çünkü uygulamalar için kullanılabilir. Enerji Weff etkili olmuştur miktarda Vmaxand Vmin arasındaki gerilim farkı azalır ve[73]temsil edilebilir.

$W_{\text{eff}}={\frac {1}{2}}\ C\cdot \ (V_{\text{max}}^{2}-V_{\text{min}}^{2})$

Bu formül aynı zamanda lityum iyon kapasitörler gibi enerji asimetrik gerilim bileşenleri temsil eder.

Enerji ve güç yoğunluğu

Süper bir kapasitör saklanabilir kütle başına düşen enerji miktarı özgül enerji denir. Özel enerji gravimetrically (kütle birimi başına) kilogram başına watt-saat (Wh/kg) ile ölçülmektedir.. Depolanan hacim başına enerji miktarı, enerji yoğunluğu denir. Hacimsel enerji yoğunluğu (birim hacim başına) litre başına watt-saat (Wh/l) ile ölçülmektedir. 2013 itibarıyla ticari belirli enerjileri etrafında 0,5-15 Wh/kg arasında değişir. Karşılaştırma için, bir alüminyum elektrolitik kondansatör mağazalarda genellikle 0.01 0.3 Wh/kg, geleneksel kurşun-asit pil mağazalarda genellikle 30-40 Wh/kg ve modern lityum-iyon pil 100-265 Wh/kg. Bu nedenle Süper kapasitörler elektrolitik kapasitörler, ama sadece kadar pil onuncu göre 10 ile 100 kat daha fazla enerji depolayabilir. Ticari hacimsel enerji yoğunluğu çok farklı ama yaklaşık 5 ila 8 Wh/l genel aralığı. Litre ve dm3 birimleri birbirinin yerine kullanılabilir. Süper kapasitörler enerji yoğunluğu kapasitörler önemli bir avantaja sahip piller ile karşılaştırıldığında yetersiz olmasına rağmen, güç yoğunluğu. Güç yoğunluğu olan enerji/yük absorbe teslim edilebilir hızını açıklar. Maksimum güç Pmax formülü:[73]tarafından verilmiştir

$P_{\text{max}}={\frac {1}{4}}\cdot {\frac {V^{2}}{R_{i}}}$

Güç yoğunluğu ya da kilogram başına kilowatt olarak gravimetrically (kg kW/) veya litre başına kW olarak hacimsel (kW/l) ölçülür. Açıklanan maksimum güç Pmax belirli bir gerilim teorik dikdörtgen tek maksimum akım tepe gücü belirtir. Gerçek devrelerde akım tepe dikdörtgen değil ve daha küçük gerilim, gerilim düşümü neden olur. IEC 62391-2 güç uygulamaları için Süper kapasitörler için daha gerçekçi ve etkili bir güç Peff kurdu:

$P_{\text{max}}={\frac {1}{4}}\cdot {\frac {V^{2}}{R_{i}}}$

Süper kapasitör güç yoğunluğu genellikle pil 10 ile 100 kat daha büyüktür ve değerleri 15 kW/kg ulaşabilir. Ragone grafikler güç enerji oluşmadığı ve enerji depolama bileşenleri karakterize görüntülenmesi için değerli bir araçtır. Böyle bir diyagram ile, güç yoğunluğu konumu ve farklı depolama teknolojileri enerji yoğunluğu kolayca, diyagram karşılaştırın görmektir.[74][75]

Ömür

Süper kapasitörlerin ömrü esas olarak kondansatöre uygulanan sıcaklık ve gerilime bağlıdır. Süper kapasitörler pillerden çok daha uzun bir ömüre sahiptir. Süper kapasitörler elektrotlar (elektrotlar polimer olanlar hariç) kimyasal değişiklikler güvenmeyin beri yaşam süreleri çoğunlukla sıvı elektrolit Buharlaşma hızı değişir. Genel olarak bu buharlaşma yük akımı, akım döngü frekans ve gerilim sıcaklığın bir fonksiyonu vardır. Mevcut yük ve çevrim frekans buharlaşma belirleme ortam sıcaklığı ve iç ısı toplamıdır, böylece iç ısı üretir. Bu sıcaklık kondansatör bir vücudun merkezi çekirdek ısısı olarak ölçülebilir. Çekirdek sıcaklığında daha hızlı buharlaşma daha kısa yaşam süresi anlamına gelir. Buharlaşma genellikle kapasitans azaltmak ve iç direnç artmaktadır. Göre IEC/EN 62391-2 kapasitans indirim %30 ya da iç direnç aşan dört kez kendi veri sayfası özellikleri değerlendirilir "giyim-hataları", ima bileşen ulaşmıştır sonu. Kondansatörler çalışabiliyor, ama yetenekleri azaltılmış. Parametreleri sapma düzgün çalışması üzerinde herhangi bir etkisi olup olmadığını kapasitörlerin uygulama bağlıdır. Elektrik parametreleri 62391-2 EN IEC/belirtilen böyle büyük değişiklikler genellikle yüksek akım yük uygulamaları için kabul edilemez. Yüksek akım yükleri destekleyen bileşenleri çok daha küçük sınırlar, örneğin, 20% kapasitans ya da çift iç direnç kaybı kullanın.[76] daha dar bir tanım bu tür uygulamalar için önemli, doğrusal olarak iç direnç arttıkça ısı artar ve maksimum sıcaklığın üzerine çıkılmamalıdır. Sıcaklık belirtilenden daha yüksek bir kondansatör yoktur. Süper kapasitörler gerçek uygulama süresi, olarak da adlandırılan "hizmet ömrü", "yaşam süresi" ya da "yük hayat", oda sıcaklığında 10 ila 15 yıl veya daha fazla ulaşabilirsiniz. Uzun süreli üreticileri tarafından test edilemez. Bu nedenle, onlar en yüksek sıcaklık ve gerilim koşullarında beklenen kondansatör ömrünü belirtin. Sonuçları Bilgi Formu gösterim "(saat) zaman/max test. kullanarak belirtilen sıcaklık (°C)" gibi "5000 h/65 °C". Bu değer ve bir formül ile, düşük yaşam koşulları için tahmin edilebilir. Süper kapasitörlerde yaşlanma testi belirli bir zaman içinde maksimum sıcaklık ve voltaj ile “dayanıklılık testi” kullanarak üretici tarafından test edilmiştir. Bir "kusur" bu test sırasında ürün yıpraması veya toplam hatası olarak ortaya çıkabilir. Bilgi Formu ömür boyu şartname koşulları uygulama gelen göre beklenen ömür tahmini için kullanılabilir. "10-derece-kural" kullanılan elektrolitik kapasitörler olmayan katı elektrolit bu tahminler için kullanılır ve Süper kapasitörler için de kullanılabilir. Bu kural Saf denklemi, tepkime hızlarının sıcaklık bağımlılığı için basit bir formülü kullanır. Çalışma Sıcaklığı 10 °C her azaltılması için tahmini ömrü iki katına çıkar.

$L_{x}=L_{0}\cdot 2^{\frac {T_{0}-T_{x}}{10}}$

İle

Ömür boyu tahmini
* Lx beklenen
* L0 belirtilen ömür boyu

• T0 üst belirtilen kondansatör sıcaklık
• Tx Gerçek çalışma sıcaklığı

Bu formül ile hesaplanan, kapasitörler 65 °C'de 5000 h ile belirtilen 45 °C'de 20,000 h tahmini yaşam süresi vardır Ömür sıvı elektrolit içindeki gaz geliştirme voltaj bağlıdır çünkü Ayrıca işletme gerilimine bağlıdır. Gerilim daha küçük gaz geliştirme ve daha uzun yaşam süresi daha düşük. Genel bir formül ömür boyu gerilim ile ilgilidir. Voltaj bağımlı eğriler resimde gösterilen bir üreticiden ampirik bir sonucudur. Güç uygulamaları için yaşam beklentisi de döngüleri mevcut yük veya sayı ile sınırlı olabilir. Bu sınırlama, belirtilen ilgili üretici tarafından ve güçlü bir türüne bağlıdır.

Kendi kendine deşarj

İçinde mesafelerine göre taşıyıcılar şarj Çift Katman ayıran elektriksel enerji depolama molekülleri aralığındaki mesafelere göre değişmektedir. Bu kısa mesafe içinde düzensizlikler, yük taşıyıcıları ve kademeli deşarj küçük bir değişim meydana gelebilir. Bu kendi kendine deşarj kaçak akım denir. Kaçak kapasite, gerilim, sıcaklık ve elektrot/elektrolit bileşimi Kimyasal kararlılık bağlıdır. Oda sıcaklığında kaçak deşarj zamanı olarak belirtilen o kadar düşük olur. Kendine zaman saat, gün veya hafta içinde belirtilen Süper kapasitör. Örnek olarak, bir 5.5 V/1 F Panasonic "Goldcapacitor" belirtir bir gerilim düşümü 20 °C ila 5.5 V 3 V 600 Saat (25 gün veya hafta 3.6) bir çift cep kondansatör.[77]

Kutup

Simetrik Süper kapasitörler anot ve katot aynı malzemeden oluşur bu yana, teorik olarak Süper kapasitörler hayır truepolarity ve geri dönülemez normalde oluşmaz. Ancak ters bir şarj süper kapasitör kapasitesini azaltır, polarite üretim sırasında elektrotlar oluşumu sonucu korumak için önerilen yöntemdir. Asimetrik Süper kapasitörler doğal olarak kutup vardır. Süper kapasitörler ters polarite ile, AC çalışmasını engellemek için ameliyat olabilir. Yalıtım kol bar polarize bir bileşeni katot terminali tanımlar. Şartlar "" ve "katot bir bileşen, bir tüketici olarak bir jeneratör olarak kabul edilir olup olmadığını" kutup bağlı değişiklikler nedeniyle karışıklığa yol açabilir. anot Bir akümülatör veya katot pozitif polarite olan bir pili (+) ve anot negatif olan kutup (-). Katot negatif olan kapasitörler için polarite (-) ve anot, pozitif kutup (+). Bu Süper kapasitörler yerine özel dikkat gerektirir ya da piller paralel olarak değiştirdi.

Teknik parametreleri karşılaştırılması

Karıştırma elektrotlar ve elektrolit bileşenleri çeşitli uygulamalar için uygun karışımı verir. Düşük omik elektrolit sistemlerinin geliştirilmesi, yüksek pseudocapacitance ile elektrotlar ile birlikte, daha birçok teknik çözümler sağlar. Aşağıdaki tablo kapasite aralığında çeşitli üreticiler, voltaj, direnç (ESR, DC veya AC değeri) ve hacimsel iç ve gravimetrik enerji yoğunluğu kapasitörler arasında farklılıklar gösterir. Tabloda, ESR ilgili üreticinin en büyük kapasitans değeri bileşeni ifade eder. Kabaca iki gruba Süper kapasitörler alırlar. İlk grup Bu "çift katman" memory back-up ya da benzeri uygulamalar için. kapasitörler 20 milliohms ve 470 F. 0,1 nispeten küçük kapasitans büyük ESR değerleri sunmaktadır İkinci grup F 1 miliohm altında önemli ölçüde daha düşük ESR değeri 100 10.000 sunmaktadır. Bu Bileşenler Güç uygulamaları için uygundur. Çeşitli inşaat özellikleri farklı üreticilerin bazı süper kapasitör serisi bir korelasyon olan Pandolfo ve Hollenkamp tarafından sağlanır.[26]

Parametrik teknolojileri ile karşılaştırma

Süper kapasitörler özellikle lityum-iyondan yapılan elektrolitik kapasitörler ve şarj edilebilir piller ile rekabet etmektediir. Aşağıdaki tablo elektrolitik kapasitörler ve piller ile üç ana süper kapasitör grubunun önemli parametrelerini karşılaştırır. Elektrolitik kondansatörler, düşük frekans aralığında AC direnç olarak deşarj, yüksek dielektrik gücü (550 V) ve iyi bir Frekans tepkisi/sınırsız şarj özelliği. Süper kapasitörler elektrolitik kapasitörler daha 10 ila 100 kat daha fazla enerji depolayabilir ama AC uygulamaları desteklemez. Açısından şarj edilebilir piller Süper kapasitörler özelliği yüksek tepe akımları, düşük maliyetli, döngü, hiçbir tehlike gazı iyi prensipleri, non-korozif elektrolit ve düşük toksisite malzeme, süre piller teklif, daha düşük satın alma maliyeti, sabit voltaj altında akıntı,ama gerektiren karmaşık elektronik kontrol ve anahtarlama cihazları ile buna bağlı enerji kaybı ve kıvılcım tehlikesi belirgin olarak daha kısadır.

Standartlar

62391-1, IEC 62567, IEC ile ilgili 61881-3 BS EN standartlarını da içeren süper kapasitör sınıflandırmasıdır. Süper kapasitörler özellikle yüksek enerji yoğunluğu ile nadiren değiştirilebilir. Yüksek ve düşük tepe akımındaki uygulamaları, standardize edilmiş test protokolleri gerektirir. Test özellikleri ve parametre gereksinimleri genel şartnamede belirtilmiştir : •

• Elektronik cihazlarda kullanmak için 62391-1, Sabit/TR elektrikli çift katmanlı kapasitörler IEC.
• Standart dört uygulama sınıfları, akıntı mevcut seviyelere göre tanımlar:
• Sınıf 1: Hafıza yedekleme
• Sınıf 2: Enerji depolama, özellikle motorlar kısa zamanda ameliyat edilmesi gerekir sürüş için kullanılan,

*  Sınıf 3: Güç, uzun süreli bir kullanım için daha yüksek güç talebi, 
*  Sınıf 4: güç, nispeten yüksek akım birimleri gerektiren uygulamalar için Anlık ya da pik akımları amper yüzlerce arasında değişen kısa çalışma zaman bile 

Üç standartlarımızı daha da özel uygulamaları açıklar:

• IEC 62391-2, Sabit Çift Katman elektronik cihazlarda kullanmak için kapasitörler-Boş ayrıntılı özellikleri elektrikli çift katmanlı kapasitörler güç uygulama için Elektrik
• Hibrid elektrikli araçlarda kullanılan 62576, çift katmanlı Elektrik kondansatörleri IEC. Elektriksel özellikler için Test yöntemleri
• 61881-3, Demiryolu uygulamaları EN/BS. Stok ekipman haddeleme. Güç elektroniği için kondansatörler. Çift katmanlı elektrik kapasitörleri.

Uygulamalar

Süper kapasitörler AC uygulamalarını desteklemez. Süper kapasitörler büyük miktarda güç deşarj/şarj ya da daha uzun bir ömür için çok yüksek bir sayının gerekli olduğu nispeten kısa bir zaman için gerekli olduğu uygulamalarda avantajları vardır. Tipik uygulamalar miliamper akımları veya birkaç amper için birkaç dakika için geçerli ya da birkaç yüz için güç, yazıcılar, çok daha kısa süreler için güç kW aralığındadır. Sabit akımı taşıyabilen bir Süper kapasitör olarak hesaplanan t zamanı :

: $t={\frac {C\cdot (U_{\text{charge}}-U_{\text{min}})}{I}}$

Kondansatör voltajı Ucharge’dan Umin’e düşmektedir.Eğer uygulama belirli bir zaman için sabit bir güç P gerekiyorsa, şu şekilde gibi hesaplanabilir:

$t={\frac {1}{2P}}\cdot C\cdot (U_{\text{charge}}^{2}-U_{\text{min}}^{2}).$

Aynı şekilde, kondansatör voltajı Ucharge’dan Umin’e düşmektedir.

Genel

Tüketici elektroniği

Dalgalı yükler, dizüstü bilgisayarlar gibi, GPS, taşınabilir medya oynatıcılar, el aygıtları, [111] ve fotovoltaik sistemleri PDA uygulamaları, Süper kapasitörler güç kaynağı stabilize olabilir. Süper kapasitörler, örneğin, 90 saniye içinde şarj edilebilir LED el feneri hayat için dijital kameralar fotoğraf yanıp söner ve güç sağlamak.[112] 2013 yılında Süper kapasitörlerle güçlendirilmiş taşınabilir hoparlörler piyasaya çıkmıştır.[113]

Araçlar

Enerji depolama için Süper kapasitörler ile kablosuz elektrikli bir tornavida benzer bir pil modeli yaklaşık yarısı çalışma süresi var, ama tam olarak 90 saniye içinde şarj edilebilir. Üç ay sonra şarjı %85'i boş kalması korur.[114]

Tampon gücü

Süper kapasitörler RAM gibi düşük güç ekipmanları için yedek veya acil güç kapatma, SRAM, mikro-Denetleyiciler ve PC Kartları bulunur. Sayaç okuma (AMR)[115] ekipmanı veya endüstriyel elektronik olay bildirim için otomatik olarak düşük enerji uygulamaları için tek güç kaynağıdır. Süper kapasitörler ve şarj edilebilir piller için güç, kısa süreli elektrik kesintileri etkilerini ve güncel zirveleri yüksek azaltıcı tamponlardır.Bunlar pil ömrünü uzatır, hangi eğer şebeke elektriği veya yakıt hücresi başarısız olursa genişletilmiş kesintiler oluşur, buna da –battery kick- denir. Süper kapasitörler elektrolitik kapasitörler çok daha büyük bankalar yerine, sahip olduğu güç kaynakları (UPS) kesintisizdir. Bu arada döngü başına maliyeti azaltır, değiştirme ve bakım masraflarını azaltır, pil işten çıkarılmayı sağlar ve pil ömrünü uzatır.[116][117][118] Bir dezavantajı ise özel bir devre olduğundur farklı davranışlar bağdaştırmak gerekmektedir.

Enerji toplama

Süper kapasitörler enerji hasat sistemler için uygun geçici enerji depolama aygıtları vardır. Enerji toplama sistemleri, enerji, ortam veya yenilenebilir kaynaklardan, örneğin mekanik hareket, ışık veya elektromanyetik alanlardan toplanan ve enerji depolama aygıtı elektrik enerjisine dönüştürülür. Örneğin, enerji (radyo frekansı) RF alanlar (uygun doğrultucu bir devre olarak bir RF anten kullanarak) toplanan baskılı bir süper kapasitör için saklanabilir gösterdi. Hasat edilen enerji daha sonra 10 saat boyunca uygulamaya özel (DONANIM) entegre devre devre bir güç kullanıldı.[123]

Piller dahil etme

[Düzenle] Bu UltraBattery kurşun-asit hibrid şarj edilebilir bir pil ve bir süper kapasitör Avustralya'nın Ulusal Bilim Örgütü CSIRO tarafından icat edilmiştir. Hücre yapısı kurşun-asit standart bir pil pozitif elektrot, standart sülfürik asit elektrolit ve elektrik enerjisi withdouble katmanlı kapasitans saklamak için özel olarak hazırlanmış bir negatif karbon tabanlı bir elektrot içerir. Varlığın süper kapasitör elektrot aldığına, kimya ve pil tanıyor önemli koruma akım vermelidir yüksek oranda kısmi devlet eğer şarj kullanımı olan tipik hata modu valf ayarlı kurşun-asit hücreleri kullanılıyor bu şekilde. Elde edilen hücre şarj ve deşarj oranları, ömrü, verimliliği ve performansı tüm gelişmiş kurşun-asit bir hücre ya da bir süper kapasitör da ötesinde özellikleri ile gerçekleştirir. UltraBattery Avustralya, Japonya ve U. S. A. frekans Yönetmelikte, güneş yumuşatma ve vites, rüzgar düzeltme ve diğer uygulamalarda kW ve MW ölçekli uygulama yüklü.[124]

Sokak lambaları

Japonya-Niigata Sado şehrinde güneş pilleri ve LED’leri tek başına bir güç kaynağı ile birleştiren sokak ışıkları vardır. Süper kapasitörler güneş enerjisi ve kaynağı 2 LED lamba ile depolar, bir gecede 15 W güç tüketimi sağlar. Bu Süper kapasitörler 10 yıldan fazla dayanabilir ve çeşitli hava koşulları altında +40 ve -20 °C arasında istikrarlı performans sağlayabilir.

Tıp

Süper kapasitörler 500 joule kalbi tekrar normal ritme şok teslim edebilecekleri defibrilatör kullanılır.[126]

Havacılık

Elektronik GmbH Diehl Luftfahrt 2005, havacılık sistemleri ve kontrol sistemleri şirketinde seçti kapılar andevacuation slaytlar uçakları, Airbus 380 de dahil olmak üzere kullanılan acil güç ünitesi için süper kapasitörler seçilmiştir.[119]

Askeri

Süper kapasitörler düşük iç direnç ve kısa süreli yüksek akım gerektiren uygulamaları destekler. Tanklar ve denizaltılar gibi büyük motorlu araçlar için önceki zamanlarda motoru çalıştırmak için kullanılırlardı. Süper kapasitörler pil tampon, kısa akım tepe kullanımını ve dönüşümü azaltır. Yüksek güç yoğunluğu gerektiren diğer askeri uygulamalar radar anteni, lazer güç kaynakları, askeri telsiz haberleşme, seyrüsefer görüntüler ve gereçleri, yedek güç hava yastığı ve GPS güdümlü füzeler ve mermiler için kullanılır.[128][129]

Enerji geri kazanımı

Tüm taşımacılığın öncelikli problemi enerji tüketimini ve karbondioksit emisyonunu azaltmaktır. Fren enerji (iyileşme ya da yenilenme) geri kazanımı bu sürece yardımcı olur. Bu hızlı ve yüksek devir oranı ile uzun süre üzerinde enerji deposu serbest bileşenler gerektirir. Süper kapasitörler bu şartları yerine getirmektedir ve bu nedenle her türlü ulaşım uygulamalarında çok sık kullanılır.

Demiryolu

Ana madde: Demiryolu elektrik sistemi Süper kapasitörler dizel-elektrikli şanzıman ile dizel lokomotifler demiryolu marş sistemleri pilleri tamamlamak için kullanılıyordu. Kondansatörler tam bir durdurma frenleme enerjisini ve trenin dizel motor ve hızlanma başlangıç için tepe akımı sağlamak ve katener gerilim stabilizasyonu sağlar. 30% enerji tasarrufu için sürüş moduna bağlı olarak enerji geri kazanımı frenleme ile mümkündür. Düşük bakım maliyetleri ve çevre dostu malzemeler süper kapasitörlerin seçimini teşvik etmektedir.

Vinç, forklift ve traktör

Ana makaleler: Vinç (makine) ve Forklift Mobil hibrit dizel-elektrikli lastik tekerlekli portal vinç konteynerları terminal kullanarak yükler ve hareket ettirir. Kutuları kaldırma işlemi çok büyük miktarda enerji gerektirir. Bazı enerji yüklemeleri düşük verimlilik ile gerçekleştirilmiş olabilir.[132] Süper kapasitörler, üçlü melez forklift birincil enerji depolama ile yakıt hücreleri ve piller kullanır ve fren enerjisini depolayarak güç zirveleri tampon sağlar. 30 kW pik güç ile çatal asansör sağlar. Üçlü karma sistem, dizel veya yakıt hücre sistemleri ile karşılaştırıldığında %50 enerji tasarrufu sağlıyor.[133] Süper kapasitör ile güçlendirilmiş taşıma traktörleri konteynerları depoya taşır. Dizel terminal traktör için ekonomik, sessiz ve çevre dostu bir alternatif sunar.[134]

Hafif Raylı ve tramvay

Ana makaleler: Hafif Raylı ve Tramvay Süper kapasitörler sadece enerji kullanımını azaltmayı mümkün kılmakla kalmaz, aynı zamanda şehrin mimari yapısını korumak için tarihi bölgelerdeki yüksek gerilim hatlarının yerine geçer. Bu yaklaşım, birçok yeni LRV şehir hatları tam yol için yüksek maliyetli gerilim hatlarını değiştirmek için izin alınabilmesini sağlamıştır. 2003 yılında Mannheim Hafif Raylı araç (LRV) Bombardier MİTRAC Transportationto gelen Enerji Tasarrufu sistemi kullanılarak çatı-monte süper kapasitör ünitesi ile mekanik fren enerji deposu bir prototip kabul etmiştir.[135][136] Bu prototip birkaç adet 2700 F ile 192 kapasitörler /2.7 V üç paralel çizgiler birbirine bağlanmış bir yapıdadır. Bu devre 1.5 kWh enerji içeriği ile 518 V gücünde bir sistem olur. Hızlanma ne zaman başladı ise bu "on-board sistemi" sağlanan LRV ile 600 kW ve araçla, 1 km olmadan katener bütünleştirici LRV içine kentsel çevre tarafından itici olmadan katener hatları besleme sağlar. Şebekeye enerji geri geleneksel LRVs veya Metro araçlara göre, gemide enerji depolama 30% kadar kaydeder ve %50'ye kadar pik ızgara talebi azalır.[137] 2009 yılında Süper kapasitörler LRV. havai katener telleri şehrin mimari mirasını koruma olmadan Heidelberg Tarihi Kent bölgesinde faaliyet sağlamaktadır. SC ekipman operasyonun ilk 15 yıl içinde tahsil edilecek beklenen €270,000 araç başına ek bir maliyettir. Bu Süper kapasitörler aracın planlanmış bir zaman mola istasyonlarında tahsil edilir. Bu yaklaşım birçok LRV şehir hatları tam rota yükleme için çok pahalı havai katener telleri hizmet etmek için izin verebilir. Nisan 2011'de Alman bölgesel taşımacılık operatör Rhein-Neckar, Heidelberg şirketinin sorumlu, 11 adet sipariş adha almıştır.[138] 2009 yılında Paris'te rota T3 tramvay üreticisi olan enerji geri kazanım sistemi ile çalışır Alstom diye.STEEM[139] sistemi ile donatılmış 48 çatı-monte Süper kapasitörler için mağaza fren enerji sağlar tramvaylar ile yüksek seviyede bir enerji tarafından özerklik sağlayan, onları yürütmek katener güç parçaların rotasını, şarj ederken Seyahat güç mola istasyonları. Testler sırasında, tramset %16 daha az enerji yaklaşık ortalama kullanılır.[140] İçinde 2012 tramvay operatörü Cenevre Toplu Taşıma bir prototip çatı-monte süper kapasitör frenleme enerjisini geri kazanmak için ünitesi ile donatılmış bir LRV testleri başladı.[141] Siemens süper kapasitörler ile geliştirilmiş taşınabilir depolama içeren hafif raylı taşıma sistemleri tasarlamaktadır.[142] Hong Kong - Güney Adası metro hattı %10 oranında enerji tüketimini azaltmak için beklenen 2 MW’lık iki enerji depolama ünitesi ile donatılmıştır.[143] Ağustos 2012'de Çin KSS Zhuzhou Elektrikli Lokomotif şirketi-araba iki hafif metro treni çatı-monte süper kapasitör ünitesi ile donatılmış bir prototip sundu. Tren kablolar olmadan 2 km kadar, bir yere monte edilmiş pikap üzerinden istasyonlarında 30 saniyede şarj edilebilmekte. Tedarikçi trenlerin orta ölçekli 100 kadar küçük Çin şehrinde kullanılabileceğini iddia etti.[144] 2012 yılında Lyon’da (Fransa), SYTRAL (Lyon toplu taşıma idaresi) "yan yol yenileme" sistemi adında bir deneye başladı ve bunu inşa eden Adetel Grup LRV, Hafif Raylı Sistem ve metrolar için gelişmiş enerji tasarrufu sağlayan sisteme " NeoGreen" adını vermiştir.[145] Yedi tramvaylar (yarış arabası) Süper kapasitörler powered by Guangzhou, Çin'de 2014 yılında faaliyete gitmek için planlandı. Bu Süper kapasitörler bir cihaz raylar arasına yerleştirilmiş 30 saniye içinde şarj. Bu 4 kilometre (2.5 mil) tramvay gücündedir.[146]

Otobüs

Ana madde: Hibrid elektrikli otobüs Avrupa'da Süper kapasitör kullanan ilk hibrid otobüs Nürnberg, Almanya'ya 2001 yılında geldi. MAN firmasının “Ultracapbus” adını verdiği bu araç 2001/2002 de gerçek operasyonlarda kullanılmaya başlandı. Test aracı süper kapasitörler ile birlikte dizel elektrikli sürücü ile donatılmıştı. Sistem 80 V, her içeren 36 bileşenleri 8 Ultracap modülleri ile birlikte kurulmuştı. Sistem 640 V ile çalışmış ve/400 kg ile 400 A. enerji içeriği 0.4 kWh seviyesindeydi. Bu Süper kapasitörler fren enerji geri alınmasını ve enerji başlayarak teslim. Yakıt tüketimi konvansiyonel dizel araçlara kıyasla %10 - %15 azaltıldı. Azaltılması dahil diğer avantajları karbondioksit emisyonu, sessiz çalışma, düşük titreşim ve düşük bakım masraflarıdır.[147][148] Luzern 2002, İsviçre gibi elektrikli otobüs filosu TOHYCO-Rider denilen test edildi. Bu Süper kapasitörler 3-4 dakika içinde ulaşım her döngüsü sonra yüksek hızlı indüktif temassız güç bir şarj cihazı ile şarj edilebilir.[149][150] 2005 yılının aylarında Şangay’da, capabus olarak adlandırılan elektrikli otobüs testini çalışan olmadan powerlines (katener serbest çalışma) kullanarak büyük yerleşik Süper kapasitörler kullanarak otobüs durağında kısmen şarj olacak biçimde uyguladılar. 2006, iki ticari otobüs güzergahları capabuses kullanmaya başladı; bunlardan biri Şanghay'da rota 11. Oldu tahmini olan süper kapasitör otobüs daha ucuz bir lityum-iyon pil otobüs ve bir otobüs vardı onda bir enerji maliyeti dizel otobüs ile ömür boyu yakıt tasarrufu 200.000 dolar civarındadır.[151] Hibrid elektrikli tribrid otobüs adlı öğrenci taşıma amaçlı kullanmak için Glamorgan, Wales Üniversitesi tarafından 2008 yılında açıldı. Hidrojen yakıt veya güneş pilleri, piller ve ultracapacitors tarafından desteklenmektedir.[152][153]

Motor yarışı

Motor yarışlarını dünya çapında yönetein bir organizasyon olan FIA, önerilen Güç-Tren Yönetmeliği Çerçevesinde Formula 1 için (Versiyon 1.3 of 23) Mayıs 2007'de bir dizi yeni güç tren düzenlemeler bir hibrid disk 200 kW giriş içeren ve çıkış güç kullanarak "superbatteries"’den yapılan pilleri ve paralel bağlanmış Süper kapasitörler(KERS) kullanımını gündeme getirdi.[154][155] KERS sistemi kullanılarak yaklaşık %20’lik bir depo – lastik verimine ulaşılabiliyor. Toyota TS030 Hybrid LMP1 araba, bir yarış otomobili, Le Mans Prototip kuralları altında geliştirilen, Süper kapasitörler ile hibrit bir güç kullanmakta.[156][157] 2012 24 Saat Le Mans yarışında TS030 nitelikli ile en hızlı tur sadece 1.055 saniye daha yavaş (3:24.842 karşı 3:23.787)[158] daha hızlı bir araba, bir Audi R18 e-tron quattro ile volan enerji depolaması sağlamakta. Her iki fren ve hız yardımcı olan süper kapasitör ve volan bileşenleri, Audi ve Toyota hibrit yarış içinde en hızlı arabalar yaptı. Le Mans 2012 yarışında iki de yarış parçası götürüyor bir TS030s, rakip sebep Süper kapasitörler ilgisi için emekli oldu. Bu TS030 2012 FIA Dünya Dayanıklılık Şampiyonası sezon 8 yarış kazandı. 2014 Toyota TS040 Hybrid iki elektrik motoru ile 480 beygir gücü eklemek için bir süper kapasitör kullanılır.[146]

Hibrid elektrikli araçlar

Ana madde: Hibrid elektrikli araç Ayrıca Bkz: Hibrit araç, rot Süper kapasitör/pil elektrikli araçlar kombinasyonları (EV) ve hibrit elektrikli araçlar (HEV) iyi araştırılmıştır. %20’den %60’a kadar yakıt tasarrufu EV ve HEV’lerdeki fren enerjisinin yenilenmesi suretiyle amaçlanmıştır . Süper kapasitörler çok daha hızlı şarj edilebilen pil, kararlı elektriksel özellikleri, daha geniş bir sıcaklık aralığı ve daha uzun yaşam süresi gibi özelliklere sahip olmasına rağmen, ağırlık, ses ve nispeten yüksek maliyetler bu avantajların dışında kalmaktadır. Süper kapasitörler daha düşük enerji yoğunluğu uzun sürüş mesafesi için tek başına bir enerji kaynağı olarak kullanmak için uygun hale getirir.[161] Bir kapasitör ve bir pil çözümü arasında yakıt ekonomisi %20 gelişme göstermektedir ve kısa geziler için kullanılabilir. Uzun mesafe sürüş avantajı %6'ya düşmektedir. Kapasitörler ve pilleri birleştiren durumlar sadece deneysel araçlarda kullanılmaktadır.[162] 2013 itibarıyla EV veya edilebilir tek tüm otomotiv üreticileri piller yerine Süper kapasitörler yürüyen aksam verimliliği artırmak için fren enerji depolamak için kullandığı prototip geliştirdik. Mazda 6 Süper kapasitörler frenleme enerjisini geri kazanmak için kullanan tek seri üretim otomobildir. I-eloop markalı, rejeneratif frenleme ile 10% yakıt tüketimini azaltmanın mümkün olacağı ediliyor.[163] Rus Yo-araba Е-mobil dizi е-kavram ve е-crossover bir hibrid araç gaz tahrik Wankel bir motor ve sürüş için elektrikli bir jeneratör ile çalışıyor. Nispeten düşük kapasitans ile bir süper kapasitör fren enerjisi durdurmak hızlanma sırasında elektrik motoru güç kurtarır.[164] Toyota Yaris’in Hybrid-R konsept otomobili hızlı güç patlamaları sağlamak için süper kapasitörleri kullanır.[146] Bu daha hızlı verir gibi start-stop yakıt tasarrufu sağlayan sistem, bir parçası olarak PSA Peugeot fit arabaları için Süper kapasitörler Citroën trafik ışıkları yeşile döndüğünde çalışmaya başlar. [146]

Gondollar

Avusturya - Zell am See şehri, hava tahliyesi Schmittenhöhe Dağı ile şehri bağlamaktadır. Gondollar bazı günler 24 saat, ışıkları, kapı açma ve iletişim için elektrik ile çalışmaktadır. İstasyonlarda pilleri şarj etmek için tek uygun zaman için çok kısa olan misafir yükleme ve boşaltma sırasındaki kısa aralıklarla yapılmaktadır. Süper kapasitörler pillere göre daha uzun – hızlı devir ve daha uzun yaşam süresne sahiptir. Emirates Hava Hattı (Teleferik), aynı zamanda Thames Teleferik olarak bilinen, Kraliyet Rıhtıma Greenwich Yarımadası’ndan Thames’i aşan 1 kilometre (0.62 mil) uzunluğundan bir gondol hattına sahiptir. Kabin Süper kapasitörler tarafından desteklenmektedir modern bilgi-eğlence sistemi ile donatılmıştır.[165][166]

Yeni gelişmeler

2013 yılı ticari olarak lityum iyon süper kapasitörlerin bugüne kadar en yüksek gravimetrik enerji yoğunluğuna 15 Wh/kg (54 kJ/kg) ile ulaştığı tarihtir. Araştırma enerji yoğunluğu artırmak, iç direnci azaltmak, sıcaklık aralığını genişletmek, yaşam sürelerini arttırmak ve maliyetleri azaltmak üzerinde duruyor.[17] Projeler nano yapılı elektrotlar,[52] özel gözenek boyutlu elektrotlar, pseudocapacitive kaplama veya doping malzemesi ve geliştirilmiş elektrolitleri içermektedir.

Reference

https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Supercapacitor&action=edit 14 Nisan 2015 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.